CN107992145A - 一种具有超低功耗特性的电压基准电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子电路技术领域，具体的说是涉及一种具有超低功耗特性的电压基准电路。本发明利用粗电压基准得到一个基本不随温度变化而变化的电压作为NMOS管的栅电压，使其在全文度范围内工作在线性电阻区，以此来取代兆欧姆级别大电阻，同时利用电压减法模块输出电压基准，并通过场效应晶体管结构参数的选择，降低最后电压基准的温度系数。本发明提出的一种可工作在0.45V、无电阻的超低功耗电压基准电路，可以工作在很低的电源电压下，功耗仅为几个纳瓦，不需要使用任何类型的双极型晶体管和大的电阻，可以采用标准全CMOS工艺制成集成电路，这样使得其适用范围和灵活性得到显著改善。

Description

一种具有超低功耗特性的电压基准电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体的说是涉及一种可工作在0.45V、无电阻的超低压超低功耗电压基准电路。

背景技术

电压基准电路是所有电子系统中不可或缺的一部分，在一些特殊的环境中不仅要求电压基准电路产生的电压不随电源电压和温度的变化而变化，还要求其以极低功耗工作在超低电源电压下。传统的带隙基准使用最为广泛，但是受其开启电压限制，不能工作在超低电源电压下，现有的一些解决方案电流偏置为了得到纳安培级别电流用到了一个兆欧姆的大电阻，造成集成电路版图很大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有超低工作电压基准电路需要兆欧姆级别大电阻的问题，提出了一种新型的可工作在0.45V、无电阻的超低功耗电压基准电路。

本发明的技术方案，可工作在0.45V、无电阻的超低功耗电压基准电路，包括粗电压基准电路模块、偏置电流模块、高低栅源电压产生模块和电压减法模块；

所诉粗电压基准电路模块包括第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7；所述第六NMOS管MN6的漏极接电源，其源极与栅极互连；第七NMOS管MN7的漏极接电源，其源极与栅极互连；所述第七PMOS管MP7的源极接第七NMOS管MN7的源极，第七PMOS管MP7的栅极和漏极接第六NMOS管MN6的源极；所述第六PMOS管MP6的源极接第七PMOS管MP7的漏极，第六PMOS管MP6的栅极和漏极接地；其中，第七NMOS管MN7的栅极和源极、第七PMOS管MP7源极的连接点为粗电压基准电路模块的输出端，输出第一基准电压VREF1；

所述偏置电流模块包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第五NMOS管MN5；所述第一PMOS管MP1的源极接电源，其栅极接第二PMOS管MP2的漏极；第二PMOS管MP2的源极接电源，其栅极与漏极互连；第一NMOS管MN1的栅极和漏极互连，其漏极接第一PMOS管MP1的漏极，第一NMOS管MN1的源极接地；第二NOMS管MN2的漏极接第二PMOS管MP2的漏极，第二NOMS管MN2的栅极接第一PMOS管MP1的漏极；第五NMOS管MN5的漏极接第二NMOS管MN2的源极，第五NMOS管MN5的栅极接第一基准电压VREF1，其源极接地；其中，第一PMOS管MP1栅极、第二PMOS管MP2栅极和漏极的连接点为偏置电流模块的输出端，输出偏置电压VB1；

所述高低栅源电压产生模块包括第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、低阈值NMOS管MNLV和高阈值NMOS管MNHV；所述第三PMOS管MP3的源极接电源，其栅极接偏置电压VB1；所述第四PMOS管MP4的源极接电源，其栅极接偏置电压VB1；所述低阈值NMOS管MNLV的漏极接第三PMOS管MP3的漏极，低阈值NMOS管MNLV的栅极与漏极互连，其源极接地；所述高阈值NMOS管MNHV的漏极接第四PMOS管MP4的漏极，高阈值NMOS管MNHV的栅极和漏极互连，其源极接地；

所述电压减法模块包括第五PMOS管MP5、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4；所述第五PMOS管MP5的源极接电源，其栅极接偏置电压VB1；所述第三NMOS管MN3的漏极接第五PMOS管MP5的漏极，第三NMOS管MN3的漏极接第四PMOS管MP4的漏极；所述第四NMOS管MN4的漏极接第三NMOS管MN3的源极，第四NMOS管MN4的栅极接第三PMOS管MP3的漏极，第四NMOS管MN4的源极接地；所述第三NMOS管MN3源极与第四NMOS管MN4漏极的连接点为电压基准电路的输出端，输出基准电压VREF。

本发明所述的超低功耗电压基准电路可用于制作成集成电路，所述集成电路采用标准CMOS工艺制作。

本发明的有益效果为，本发明的一种可工作在0.45V无电阻的超低功耗电压基准电路，与现有带隙基准相比，最低工作电压方面，其可工作的最低电压达到0.45V；在实现工艺方面，其可以使用标准CMOS工艺实现；功耗方面，其功耗仅为几个纳瓦，远远低于传统的带隙基准的功耗；与现有可工作在低电源电压的电压基准相比，其不需要大的电阻，可用全CMOS管实现。

附图说明

图1本发明电路结构框图；

图2本发明所提出的粗电压基准电路模块电路结构图；

图3本发明所提出的偏置电流模块电路结构图；

图4本发明所提出的高、低栅源电压产生模块电路结构图；

图5本发明所提出电压减法模块电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述

本发明一种新型的可工作在0.45V、无电阻的超低功耗电压基准电路结构如图1所示，由粗电压基准电路模块、偏置电流模块、高低栅源电压产生模块和电压减法模块构成。下面分别描述模块的电路结构及连接关系。

如图2所示，粗电压基准电路模块包括PMOS管MP6、PMOS管MP7、NMOS管MN6、NMOS管MN7。MOS管MP6、PMOS管MP7、NMOS管MN6、NMOS管MN7均工作在深亚阈值区，当MP6、MP7和MN6、MN7的宽长比取合适值时，可得到一个基本不随温度变化而变化、温度系数较高的VREF1。

粗电压基准电路模块中，电路具体连接关系如图2所示。NMOS管MN6的漏极连接电源电压，源极与栅极相互连接并与PMOS管的源极相连，同时与PMOS管MP7的栅极和漏极相连；NMOS管MN7的漏极连接电源电压，栅极与源极相互连接，同时与PMOS管MP7的源极相连，并输出温度系数较大的基准电压VREF1；PMOS管MP6的栅极与漏极相互连接并与地电位相连。

如图3所示，偏置电流模块电路结构包括PMOS管MP1、PMOS管MP2、NMOS管MN1、NMOS管MN2和NMOS管MN5。MN1和MN2工作在亚阈值区，他们的栅源电压之差是一个与温度成正比(PTAT，Proportional to absolute temperature)的电压，该栅源电压之差正好作用在NMOS管MN5上，MN5管的栅极电压为VREF1，使其在整个温度范围内都工作在线性电阻区，即充当电阻的作用，将此PTAT电压转换成PTAT电流IBIAS。

偏置电流模块中，电路具体连接关系如图3所示。PMOS管MP1的源极连接电源电压VDD，漏极连接NMOS管MN1的漏极和NMOS管MN1、NMOS管MN2的栅极；PMOS管MP2的源极连接电源电压VDD，栅极与漏极相连输出偏置电压VB1，并且连接PMOS管MP1的栅极和NMOS管MN2的漏极；NMOS管MN1的源极连接地电位VSS；NMOS管MN2的源极连接NMOS管MN5的漏极；NMOS管MN5的栅极与VREF1相连，源极连接地电位VSS。

如图4所示，高、低栅源电压产生模块包括PMOS管MP3、PMOS管MP4、NMOS管MNLV和NMOS管MNHV。MP3和MP4用于提供电流，MNLV为低阈值NMOS管，其阈值电压为VTH1，MNHV为高阈值NMOS，其阈值电压为VTH2，MNLV和MNHV均工作在亚阈值区，用于产生两个与温度成反比(CTAT，Complementary to absolute temperature)的栅源电压VGS1、VGS2：

其中m是亚阈值斜率因子，V_T是热点压，μ_n是电子迁移率，k₁，k₂分别是MP3和MP4提供的电流与偏置电流的倍数，(W/L)₁、(W/L)₂分别为MNLV和MNHV的宽长比。

高、低栅源电压产生模块中，电路连接关系如图4所示。PMOS管MP3的源极连接电源电压VDD，漏极连接NMOS管MNLV的栅极和漏极，并且输出电压VGS1，栅极与偏置电压VB1连接；PMOS管MP4的源极连接电源电压VDD，漏极连接NMOS管MNHV的栅极和漏极，并且输出电压VGS2；NMOS管MNLV的漏极连接地电位VSS；NMOS管MNHV的漏极连接地电位VSS。

如图5所示，电压减法模块包括PMOS管MP5、NMOS管MN3、NMOS管MN4。MP5用于提供电流。MN3和MN4均为低阈值NMOS管，均工作于亚阈值区。电路连接关系如图5所示，PMOS管MP5的源极连接电源电压VDD，漏极连接NMOS管MN3的漏极，栅极连接偏置电压VB1；NMOS管MN3栅极连接电压VGS2，源极连接NMOS管MN4的漏极，并且输出基准电压VREF；NMOS的源极连接地电位VSS，栅极连接电压VGS1。

MN3的栅源电压VGS3可表示为：

MN4的栅源电压VGS4可表示为：

可得：

代入VGS1、VGS2可得：

由于阈值电压可分别表示为：

VTH1(T)＝VTH1(T₀)+K_th1(T-T₀)

VTH2(T)＝VTH2(T₀)+K_th2(T-T₀)

则进一步化简得：

对其求一阶导数得：

上式选取合适的可使其等于0，即得到不随温度变化而变化的电压。其中K为波兹曼常数，等于1.38×10^-23J/K，q是单位电荷量，等于1.6×10C；VTH1(T₀)、VTH2(T₀)分别为MNLV和MNHV在温度T₀时的阈值电压，K_th2、K_th1分别为VTH1、VTH2的温度系数，以上参数均可在工艺手册中查找到。本发明中VTH1(T₀)、VTH2(T₀)分别为292mV和455mV，k₁，k₂分别为2和5，(W/L)₁、(W/L)₂均为2μm/10μm，(W/L)₃、(W/L)₄分别为2μm/10μm和3.8μm/10μm。

本发明所提出的一种一种可工作在0.45V的超低功耗电压基准电路，通过Hspice仿真表明，在温度范围从-40℃至150℃，tt corner下VREF温度系数仅为31ppm/℃。典型情况下(tt corner，27℃)，电源电压VDD＝0.45V，总的电流消耗为21nA，总功耗为9.45nW。

综上可以看出，本发明提出的一种可工作在0.45V、无电阻的超低功耗电压基准电路，可工作在0.45V的低电源电压下，功耗仅为9.45nW，工作温度范围为-40℃至150℃，使得其适用范围和灵活性得到显著改善。

Claims (1)

1.一种具有超低功耗特性的电压基准电路，包括粗电压基准电路模块、偏置电流模块、高低栅源电压产生模块和电压减法模块，其特征在于：

所诉粗电压基准电路模块包括第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7；所述第六NMOS管MN6的漏极接电源，其源极与栅极互连；第七NMOS管MN7的漏极接电源，其源极与栅极互连；所述第七PMOS管MP7的源极接第七NMOS管MN7的源极，第七PMOS管MP7的栅极和漏极接第六NMOS管MN6的源极；所述第六PMOS管MP6的源极接第七PMOS管MP7的漏极，第六PMOS管MP6的栅极和漏极接地；其中，第七NMOS管MN7的栅极和源极、第七PMOS管MP7源极的连接点为粗电压基准电路模块的输出端，输出第一基准电压VREF1；

所述偏置电流模块包括第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第五NMOS管MN5；所述第一PMOS管MP1的源极接电源，其栅极接第二PMOS管MP2的漏极；第二PMOS管MP2的源极接电源，其栅极与漏极互连；第一NMOS管MN1的栅极和漏极互连，其漏极接第一PMOS管MP1的漏极，第一NMOS管MN1的源极接地；第二NOMS管MN2的漏极接第二PMOS管MP2的漏极，第二NOMS管MN2的栅极接第一PMOS管MP1的漏极；第五NMOS管MN5的漏极接第二NMOS管MN2的源极，第五NMOS管MN5的栅极接第一基准电压VREF1，其源极接地；其中，第一PMOS管MP1栅极、第二PMOS管MP2栅极和漏极的连接点为偏置电流模块的输出端，输出偏置电压VB1；

所述高低栅源电压产生模块包括第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、低阈值NMOS管MNLV和高阈值NMOS管MNHV；所述第三PMOS管MP3的源极接电源，其栅极接偏置电压VB1；所述第四PMOS管MP4的源极接电源，其栅极接偏置电压VB1；所述低阈值NMOS管MNLV的漏极接第三PMOS管MP3的漏极，低阈值NMOS管MNLV的栅极与漏极互连，其源极接地；所述高阈值NMOS管MNHV的漏极接第四PMOS管MP4的漏极，高阈值NMOS管MNHV的栅极和漏极互连，其源极接地；

所述电压减法模块包括第五PMOS管MP5、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4；所述第五PMOS管MP5的源极接电源，其栅极接偏置电压VB1；所述第三NMOS管MN3的漏极接第五PMOS管MP5的漏极，第三NMOS管MN3的漏极接第四PMOS管MP4的漏极；所述第四NMOS管MN4的漏极接第三NMOS管MN3的源极，第四NMOS管MN4的栅极接第三PMOS管MP3的漏极，第四NMOS管MN4的源极接地；所述第三NMOS管MN3源极与第四NMOS管MN4漏极的连接点为电压基准电路的输出端，输出基准电压VREF。